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探討原子核物理的教學(xué)改革方向論文
摘要：根據(jù)原子核物理課程的特點(diǎn), 從課程內(nèi)容, 教學(xué)方式兩個(gè)方面探討了原子核物理的教學(xué)改革方向.通過(guò)合理地設(shè)置教學(xué)內(nèi)容、增加實(shí)踐環(huán)節(jié)和引入學(xué)科前沿等來(lái)合理地構(gòu)造學(xué)生的知識(shí)架構(gòu), 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.通過(guò)引入科學(xué)的教學(xué)方法和評(píng)價(jià)手段來(lái)提高教學(xué)效果.
關(guān)鍵詞：原子核物理; 核工程與核技術(shù); 教學(xué)研究;
On Reform of Nuclear Physics Course
XIA Dong-mei
Power of Engineering of Chongqing University
Abstract：
Nuclear Physics is a professional basic course for students majoring in nuclear science and technology.To improve students' interest in the course and to enhance the teaching effect of the course, agood foundation should be laid for the students.In this paper, based on the characteristic of the course, the direction of reform about Nuclear Physics has been discussed according to course contents and teaching way.By reasonably setting up teaching contents, increasing practice parts, introducing disciplines and frontiers, we can rationally structure students' knowledge structure and enhance students' interest in learning.In order to improve teaching effect, we introduce scientific teaching methods and estimated means.
Keyword：
Nuclear Physics; nuclear engineering and technology; teaching research;
原子核物理是20世紀(jì)形成的學(xué)科, 這門(mén)學(xué)科是隨著近代物理以及近代核科學(xué)與技術(shù)的應(yīng)用需要而逐漸發(fā)展起來(lái)的[1], 自形成以來(lái)一直是一門(mén)前沿學(xué)科.物理學(xué)是以研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其基本物質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的學(xué)科, 原子核物理是物理學(xué)的一個(gè)重要分支, 研究介于原子與粒子物理之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次, 而介于原子核粒子物理的層次即為原子核.原子與原子核為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的兩個(gè)不同層次.從發(fā)現(xiàn)原子的核式模型以來(lái), 原子就被分為原子核與核外電子兩部分.原子核在原子的中心, 占主要質(zhì)量, 核外電子繞原子核做高速運(yùn)動(dòng).元素的性質(zhì), 比如化學(xué)性質(zhì)、物理特性、光學(xué)性質(zhì)則幾乎只跟核外電子有關(guān);核的放射性衰變和核反應(yīng)等則由原子核決定.原子核的現(xiàn)象相比于原子的現(xiàn)象更不容易被人們察覺(jué), 但卻無(wú)處不在.在現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展下, 人們可以觀察到越來(lái)越多的核現(xiàn)象, 比如核電站中的反應(yīng)堆, 其中就包含了大量的核反應(yīng)和核衰變.
1 教學(xué)內(nèi)容與課程設(shè)置
原子核物理是核科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課, 學(xué)好這門(mén)課能夠?yàn)榕囵B(yǎng)優(yōu)質(zhì)的學(xué)科專(zhuān)業(yè)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).學(xué)習(xí)這門(mén)課不僅要掌握好基礎(chǔ)知識(shí), 如核的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等, 還應(yīng)當(dāng)結(jié)合專(zhuān)業(yè)背景設(shè)置相應(yīng)的拓展課程.同時(shí), 原子核物理是一門(mén)物理課程, 跟其他物理學(xué)課程一樣, 它是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.因此在學(xué)習(xí)中, 在關(guān)鍵章節(jié)應(yīng)當(dāng)設(shè)置相應(yīng)的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課, 來(lái)加深學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的理解.
1.1 基本內(nèi)容與先修課程
原子核物理是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一門(mén)學(xué)科, 學(xué)習(xí)原子核物理, 要回答原子核是由什么組成的, 有什么性質(zhì), 遵循什么樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 有什么相互作用等基本問(wèn)題.學(xué)習(xí)原子核物理, 其基本知識(shí)包括: (1) 原子核的組成與基本性質(zhì).原子核的基本性質(zhì)一般指原子核作為整體具有的靜態(tài)狀態(tài)下的性質(zhì), 包括原子核的電荷、質(zhì)量、半徑、自旋、磁矩、電四極矩、宇稱(chēng)、統(tǒng)計(jì)性質(zhì)及同位旋, 這些性質(zhì)與原子核結(jié)構(gòu)及其變化有非常密切的關(guān)系, 是原子核物理的基礎(chǔ)知識(shí), 也是原子核作為要學(xué)習(xí)的對(duì)象所必需掌握的知識(shí); (2) 核力及核的模型.通過(guò)觀察到的原子核現(xiàn)象, 如放射性現(xiàn)象, 所了解到的核基本組成, 只是感性的認(rèn)識(shí).對(duì)于核的結(jié)構(gòu)以及核內(nèi)部的力是如何將核的各個(gè)結(jié)構(gòu)組成一個(gè)整體需要力學(xué)的解釋, 通過(guò)核力的理論計(jì)算來(lái)對(duì)核的現(xiàn)象進(jìn)行解釋.同時(shí)通過(guò)這樣的理論建立核的模型, 通過(guò)模型形象地建立核的構(gòu)造, 更深刻地理解核的性質(zhì); (3) 原子核的衰變, 包括α衰變、β衰變、γ衰變.這些是人們最初觀測(cè)到的核現(xiàn)象基本方式.通過(guò)學(xué)習(xí)核的衰變規(guī)律, 來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)理解核的結(jié)構(gòu)和性質(zhì), 也為學(xué)習(xí)核的應(yīng)用———射線(xiàn)技術(shù)打下基礎(chǔ); (4) 原子核反應(yīng).原子核自發(fā)的衰變是一種自然現(xiàn)象, 而核的反應(yīng)則是人類(lèi)為研究核的性質(zhì), 探索核的應(yīng)用而發(fā)展起來(lái)的.學(xué)習(xí)核的反應(yīng), 探索核反應(yīng)的規(guī)律能夠進(jìn)一步理解核的性質(zhì), 同時(shí)為核技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ).核的基本組成、核力與核的模型、核的衰變和核反應(yīng)均是學(xué)習(xí)原子核物理的基本內(nèi)容, 只有學(xué)習(xí)了這些基礎(chǔ)知識(shí), 才能夠基于核的基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)進(jìn)行運(yùn)用和研究.
學(xué)習(xí)原子核物理需要學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了大學(xué)的基本數(shù)學(xué)課程, 除此之外, 學(xué)生需要學(xué)習(xí)量子力學(xué)作為先修課程.雖然根據(jù)不同學(xué)科方向, 教師對(duì)該課程的內(nèi)容設(shè)置和深度設(shè)置有所不同, 但是量子力學(xué)是學(xué)習(xí)微觀物理學(xué)的支柱[2], 原子核物理中的思想很多也是來(lái)源于量子力學(xué).
1.2 實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐及應(yīng)用
跟物理學(xué)一樣, 原子核物理是一門(mén)實(shí)驗(yàn)性學(xué)科, 從現(xiàn)象-理論-實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn), 逐步發(fā)展.在學(xué)習(xí)中, 理論與實(shí)踐相結(jié)合能夠更好地理解課程中抽象難懂的概念, 因此在學(xué)習(xí)中相應(yīng)的章節(jié)設(shè)置對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)將大有裨益.如重現(xiàn)原子核物理中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn), 由于核的實(shí)驗(yàn)需要從放射源, 到探測(cè)器, 到電子學(xué), 再到數(shù)據(jù)獲取, 一整套設(shè)備, 有的實(shí)驗(yàn)甚至要求真空環(huán)境或要求精密度非常高的儀器和設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)起來(lái)將耗費(fèi)較大的資金.因此, 教師可設(shè)置一些相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn), 如觀察核的放射性現(xiàn)象.利用半衰期較短的放射源來(lái)觀察衰變的衰變規(guī)律;或利用中子源, 觀察中子核反應(yīng)現(xiàn)象等.這樣的實(shí)驗(yàn)將抽象的、看不見(jiàn)摸不到的核的現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象, 沿著先驅(qū)科學(xué)家們的足跡, 深入理解核的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì), 建立科學(xué)研究的思維.
核的應(yīng)用非常廣泛, 在當(dāng)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、能源和軍事等領(lǐng)域中均有廣泛的應(yīng)用[3].為了提高學(xué)生對(duì)原子核物理的學(xué)習(xí)興趣, 設(shè)置適當(dāng)?shù)膶?shí)踐環(huán)節(jié)能夠極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情, 還能增加學(xué)生的知識(shí)面, 以及對(duì)這門(mén)課的認(rèn)識(shí).到生產(chǎn)實(shí)踐中參加實(shí)習(xí), 比如到核電站參觀實(shí)習(xí), 動(dòng)手操作模擬機(jī);比如到科研院所實(shí)習(xí), 參加實(shí)驗(yàn)研究;或者讓學(xué)生自己進(jìn)行參觀調(diào)研, 撰寫(xiě)實(shí)踐報(bào)告等, 了解當(dāng)前核技術(shù)應(yīng)用的前沿.
1.3 結(jié)合學(xué)科背景設(shè)置課程內(nèi)容以及引入學(xué)科前沿:
對(duì)于原子核物理的學(xué)習(xí), 不同學(xué)科背景的學(xué)生在課程設(shè)置中可以有所差異.例如對(duì)于偏基礎(chǔ)研究型的學(xué)科, 在學(xué)習(xí)原子核物理時(shí), 應(yīng)該對(duì)課程中涉及的力學(xué)知識(shí)做更深入的要求, 而對(duì)于核的應(yīng)用可做適當(dāng)?shù)牧私?對(duì)于偏工程技術(shù)類(lèi)的學(xué)科, 對(duì)核的基本知識(shí)的掌握的基礎(chǔ)上, 應(yīng)增加更多的核技術(shù)相關(guān)的知識(shí), 比如射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用、加速器原理和同位素分離技術(shù)等.這些知識(shí)為核技術(shù)在能源工程、軍事、技術(shù)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ).
在教學(xué)中引入學(xué)科前沿有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 拓展學(xué)生的視野.原子核物理從基礎(chǔ)領(lǐng)域來(lái)說(shuō), 其研究前沿為粒子物理學(xué)相關(guān)前沿;從核技術(shù)應(yīng)用方面來(lái)說(shuō), 比如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中和在軍事領(lǐng)域中, 粒子物理如中微子振蕩, 是當(dāng)前粒子物理與核物理研究的前沿.2012年由我國(guó)牽頭的大亞灣反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)了中微子新的振蕩模式[4], 取得了舉世矚目的成就, 獲得了國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、基礎(chǔ)物理突破獎(jiǎng)等眾多殊榮.而中微子是原子核物理放射性衰變中的內(nèi)容, 在理解β衰變的機(jī)理、現(xiàn)象中非常重要.教師在講解該部分內(nèi)容時(shí), 應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前的研究動(dòng)態(tài)進(jìn)行拓展, 能夠極大地增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.核技術(shù)應(yīng)用中的前沿不勝枚舉, 比如重離子治癌也是當(dāng)前核技術(shù)應(yīng)用的前沿和熱門(mén), 傳統(tǒng)的γ刀和由于重離子在物質(zhì)中沉積能量存在的Bragg峰, 使得利用重離子治療癌癥能夠大大降低射線(xiàn)對(duì)好的組織或細(xì)胞的傷害, 極大地降低放射性治療癌癥的副作用[5].課堂教學(xué)中增加這些前沿知識(shí), 能夠拓寬學(xué)生視野, 增強(qiáng)學(xué)習(xí)熱情, 也能更好地理解基礎(chǔ)知識(shí).
2 教學(xué)方法與評(píng)價(jià)方法
2.1 探索式教學(xué)方法
教學(xué)中, 可引入探索式教學(xué)方法來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情.探索式教學(xué)可以從三個(gè)方面體現(xiàn).
1) 課前提問(wèn).在課堂中, 拋出問(wèn)題, 如β衰變中的電子是本身就存在的嗎?啟發(fā)思考, 會(huì)極大地提高學(xué)生的興趣.如果每堂課都能夠讓學(xué)生帶著問(wèn)題來(lái)上課, 學(xué)生的專(zhuān)注度將有所提高, 學(xué)生會(huì)是教學(xué)過(guò)程中更好的參與者, 有主角意識(shí).然后在課堂結(jié)尾處, 通過(guò)學(xué)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容來(lái)回答問(wèn)題, 使學(xué)生學(xué)習(xí)有成就感, 激發(fā)學(xué)生的興趣.
2) 課后探索.在學(xué)習(xí)某些知識(shí)時(shí), 提出具有代表性的科學(xué)問(wèn)題, 如生活中有哪些β衰變現(xiàn)象或者是哪些是運(yùn)用了β衰變的, 讓學(xué)生課后通過(guò)查閱資料或者實(shí)驗(yàn)回答問(wèn)題, 最后可通過(guò)課堂報(bào)告或提交小論文的方式回答實(shí)際生活中的β衰變.通過(guò)有針對(duì)性的學(xué)習(xí)探索, 學(xué)生能夠深刻地掌握所學(xué)知識(shí).
3) 給學(xué)生主動(dòng)話(huà)語(yǔ)權(quán).在課前和課后給學(xué)生時(shí)間去思考、提問(wèn)、回答該節(jié)課的內(nèi)容, 鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題, 而不是被老師“牽著走”.設(shè)立課堂合作小組, 采取指導(dǎo)、自學(xué)的教學(xué)形式, 一是增加學(xué)生的合作意識(shí);二是讓學(xué)生嘗試發(fā)現(xiàn), 體驗(yàn)過(guò)程中的創(chuàng)造性;三是互相學(xué)習(xí), 相互借鑒, 逐步完成對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí).對(duì)學(xué)生提出的問(wèn)題和觀點(diǎn)都耐心解答, 給學(xué)生足夠的自信去表達(dá)自己的觀點(diǎn)和看法.
2.2 雙語(yǔ)教學(xué)
原子核物理作為一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課, 其中會(huì)出現(xiàn)許多專(zhuān)業(yè)詞匯.而核科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生將來(lái)工作的單位, 通常都會(huì)涉及到跟世界最先進(jìn)的科技、技術(shù)和儀器打交道.為使學(xué)生更好地適應(yīng)未來(lái)的工作科研, 在課堂中適當(dāng)?shù)匾腚p語(yǔ)教學(xué), 對(duì)提高學(xué)生的綜合素質(zhì)將有所幫助.具體來(lái)說(shuō), 可以通過(guò)教學(xué)中利用英語(yǔ)課件上課;課堂中穿插英文原版文獻(xiàn)閱讀, 分享閱讀心得;提交英語(yǔ)報(bào)告和作業(yè)等多種形式來(lái)提高學(xué)生的英語(yǔ)能力.
2.3 互動(dòng)教學(xué)
互動(dòng)教學(xué)可通過(guò)課堂互動(dòng)和課后互動(dòng)兩方面來(lái)教學(xué), 課堂上可通過(guò)老師提問(wèn)學(xué)生答和學(xué)生提問(wèn)教師答這兩種形式來(lái)形成互動(dòng).也可適當(dāng)?shù)卦黾诱n堂討論, 選取課程中典型問(wèn)題, 如原子核物理中β衰變的能譜連續(xù)譜等, 這些也是學(xué)生較難理解的問(wèn)題, 通過(guò)分小組討論, 采取部分小組成員課堂發(fā)言的形式, 使學(xué)生能夠積極思考, 參與討論, 達(dá)到最終理解課堂知識(shí)的效果.課后互動(dòng)體現(xiàn)在可在課后建立討論組或答疑組, 通過(guò)微信或QQ進(jìn)行實(shí)時(shí)交流, 讓學(xué)生提出最關(guān)心的問(wèn)題, 提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣, 增加學(xué)習(xí)體驗(yàn);在學(xué)生遇到疑問(wèn)時(shí), 及時(shí)解疑答惑.在溝通交流的過(guò)程中, 了解學(xué)生學(xué)力層次的分區(qū), 盡量照顧到不同學(xué)習(xí)能力的同學(xué), 避免“后學(xué)生吃不飽, 弱學(xué)生消化不了”的局面.
2.4 評(píng)價(jià)方法探討
目前考察學(xué)生學(xué)習(xí)原子核物理的成效主要是通過(guò)期末考試, 即使增加了平時(shí)成績(jī), 期末考試成績(jī)也占了70%以上的比例, 這樣的考察方式比較片面、單一.通過(guò)對(duì)平時(shí)上課的互動(dòng)狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的考察和平時(shí)小測(cè)驗(yàn)的成績(jī)等的綜合, 可更客觀地考察學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度.因此成績(jī)?cè)O(shè)定時(shí), 根據(jù)教師平時(shí)上課設(shè)置的各個(gè)學(xué)習(xí)考察環(huán)節(jié)而定, 科學(xué)全面地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)、掌握知識(shí)和運(yùn)用知識(shí)的能力, 以及創(chuàng)新思維能力等.例如有的學(xué)生在課堂中思維很活躍, 思考很積極, 回答問(wèn)題也正確, 在實(shí)驗(yàn)中動(dòng)手能力也很強(qiáng), 但考試成績(jī)卻不理想.如果僅通過(guò)期末考試成績(jī)來(lái)判定這樣的學(xué)生對(duì)該課程的掌握程度, 就不夠客觀.因此設(shè)置多維的考察方式對(duì)才能夠更客觀準(zhǔn)確地考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.
3 結(jié)語(yǔ)
原子核物理是核科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)學(xué)科.本文從教學(xué)內(nèi)容、方法和評(píng)價(jià)手段方面探討了原子核物理課程的教學(xué)改革方向.
通過(guò)合理的設(shè)置教學(xué)內(nèi)容, 讓學(xué)生對(duì)該門(mén)學(xué)科有了足夠的知識(shí)儲(chǔ)備來(lái)進(jìn)行以后繼續(xù)學(xué)習(xí);設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐能, 讓學(xué)生將課堂上學(xué)習(xí)到的比較抽象的知識(shí), 在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程當(dāng)中有了更深刻的理解, 更有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的把握, 同時(shí)去工作單位參觀實(shí)踐能夠讓學(xué)生更直觀地感受到了知識(shí)的應(yīng)用, 增加了學(xué)生對(duì)課程的理解以及更好地了解學(xué)習(xí)目的, 讓學(xué)生感受到了知識(shí)不僅僅停留在課本、課堂中;在根據(jù)學(xué)生的學(xué)科背景設(shè)置課程內(nèi)容之后, 學(xué)生對(duì)課堂上的學(xué)習(xí)更具有積極性, 對(duì)知識(shí)更加能夠地深刻理解每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的運(yùn)用領(lǐng)域;增加學(xué)科前沿課程, 開(kāi)拓了學(xué)生的眼界, 擴(kuò)展了學(xué)生的思維, 在聽(tīng)取報(bào)告和提交報(bào)告的過(guò)程當(dāng)中發(fā)揮自我的獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力;通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)思路, 提高了學(xué)生對(duì)課程的興趣;引入科學(xué)的教學(xué)方法和先進(jìn)的評(píng)價(jià)手段, 更好地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果, 讓學(xué)生意識(shí)到了學(xué)習(xí)不是為了應(yīng)付考試, 大大提高了學(xué)生在課堂中的學(xué)習(xí)氛圍, 使學(xué)生掌握和運(yùn)用知識(shí)能力得到了提升.
通過(guò)課堂反饋、課后交流、考試成績(jī)以及評(píng)教來(lái)看, 學(xué)生對(duì)改革后的原子核物理教學(xué)表現(xiàn)出更大的學(xué)習(xí)興趣, 學(xué)習(xí)成績(jī)更好, 不僅表現(xiàn)在考試成績(jī), 還表現(xiàn)在對(duì)整門(mén)課的理解.實(shí)踐課程和互動(dòng)課程極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探索欲, 大多數(shù)學(xué)生在實(shí)踐課程和互動(dòng)環(huán)節(jié)都積極思考, 并能夠結(jié)合及挖掘課本中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí);而課程中穿插的前沿教學(xué), 也對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)整個(gè)學(xué)科起到了很大的作用;科學(xué)的考核方式也響應(yīng)了因材施教的教學(xué)思想, 有利于激發(fā)非“考試型”的學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情, 使得學(xué)生在平時(shí)的學(xué)習(xí)中就能夠?qū)W到更多的知識(shí).
當(dāng)代的學(xué)生順應(yīng)時(shí)代的局勢(shì), 互聯(lián)網(wǎng)對(duì)他們的影響很大, 枯燥乏味的課程方案已經(jīng)無(wú)法吸引同學(xué)的注意力, 對(duì)課程進(jìn)行多元化的改進(jìn), 能大大地提高同學(xué)對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性, 更易于學(xué)生吸收知識(shí).在今后的教學(xué)過(guò)程當(dāng)中還有很多需要改進(jìn)的地方, 比如, 不能只是一味的傳輸知識(shí), 還應(yīng)該在課后的時(shí)候與學(xué)生溝通, 了解他們的感受和想法, 這樣能更清楚地知道在教學(xué)過(guò)程當(dāng)中優(yōu)缺點(diǎn), 以便后續(xù)繼續(xù)改進(jìn).
參考文獻(xiàn)
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